Điều chỉnh tốc độ truyền động điện các hệ thống bộ biến đổi động cơ

Điều chỉnh tốc độ truyềnđộng điện Các hệ thống bộ biến đổi - động cơ Bởi: unknown Hệ bộ biến đổi - động cơ một chiều: Hệ Máy phát - Động cơ một chiều F-Đ: Trước đây, hệ thống Máy phát ­

Điều chỉnh tốc độ truyền

động điện Các hệ thống bộ

biến đổi - động cơ

Bởi:

unknown

Hệ bộ biến đổi - động cơ một chiều:

Hệ Máy phát - Động cơ một chiều (F-Đ):

Trước đây, hệ thống Máy phát ­ Động cơ một chiều là một hệ truyền động điện điều chỉnh tốt nhất Điều chỉnh tốc động động cơ rất linh hoạt và thuận tiện Tuy nhiên hệ thống dùng nhiều máy điện quay nên cồng kềnh, khi làm việc gây ồn, rung, nên đòi hỏi phải có nền móng vững chắc Sơ đồ nguyên lý như hình 4­1

Coi mạch từ máy phát chưa bảo hoà, nên ta có:

EF= KF.ϕF.ωF= KF.ωF.C.iKF(4­1)

Trong đó: KF ­ hệ số kết cấu của máy phát,

C = ((F/(iKF ­ hệ số góc của đặc tính từ hoá

Với: iKF = UKF/rKF

Và: EF = KF.UKF

R = RưĐ + RưF

Phương trình đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ dùng máy phát:

w = Kf§ EF − R

(Kf§)2M

w = K F Kf .UKF

§ − R

(Kf§)2M

(4­2)

Như vậy, khi thay đổi UKF (hoặc iKF) thì ta sẽ được một họ đường đặc tính cơ song song nhau ở cả 4 góc phần tư (hình 4­2)

ở góc phần tư (I) và (III) của tọa độ đặc tính cơ thì động cơ làm việc ở chế độ động cơ

quay thuận và chế độ động cơ quay ngược.

Đặc tính cơ hãm động năng (EF = 0) đi qua gốc toạ độ; Các vùng nằm giữa trục tung (()

và đặc tính cơ hãm động năng (EF = 0) là chế độ hãm tái sinh hay chế độ máy phát (( > (0) của động cơ;

Các vùng nằm giữa trục hoành (M) và đặc tính cơ khi hãm động năng (EF = 0) là chế độ hãm ngược ((((M) của động cơ

Đặc điểm của hệ F ­ Đ là điều chỉnh tốc độ rất linh hoạt, động cơ có thể tự động chuyển đổi qua các chế độ làm việc khi thay đổi tốc độ hoặc đảo chiều tốc độ Ví dụ động cơ

đang làm việc tại điểm A, khi đảo chiều kích từ máy phát F (Mc = const) thì động cơ

sẽ chuyển dần từ chế độ động cơ thuận (A) sang hãm tái sinh, hãm ngược, khởi động ngược và sẽ làm việc xác lập ở điểm B (chế độ hãm tái sinh)

Khi điều chỉnh EF thì sẽ thay đổi được tốc độ động cơ ( ( (cb; khi đảo chiều iktF thì đảo chiều được EF và như vậy đảo chiều được (

Nếu kết hợp điều chỉnh và đảo chiều từ thông của động cơ thì sẽ điều chỉnh và đảo chiều được tốc độ của động cơ ( ( (cb

Như vậy, kết hợp điều chỉnh iktF và iktĐ thì sẽ điều chỉnh được tốc độ động cơ ( ( (cb

và ( ( (cb (cả 2 vùng tốc độ)

Hệ Chỉnh lưu - Động cơ một chiều (CL-ĐM):

Khi ta dùng các bộ chỉnh lưu có điều khiển ­ hay là các bộ chỉnh lưu dùng thyristor để làm bộ nguồn một chiều cung cấp cho phần ứng động cơ điện một chiều, ta còn gọi là

hệ T ­ Đ

Sơ đồ nguyên lý:

Xét hệ CL - ĐM không đảo chiều:

+ Chế độ dòng liên tục: Ed = Ed0.cos(

w = Ed0.cosα Kf®m − R­ + Rcl Kf®m I

w = E d0 Kf.cosα®m − R­+ Rcl

(Kf®m)2.M

w = w0' − Dw

(4­3)

Trong đó:

ĉ là tốc độ không tải giả tưởng, vì lúc đó ở vùng dòng điện gián đoạn, hệ sẽ có thêm một lượng sụt áp nên đường đặc tính điều chỉnh dốc hơn, tốc độ không tải lý tưởng thực (0

sẽ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng giả tưởng (’0 (hình 4­4)

Vậy, khi thay đổi góc điều khiển ( = (0(() thì Ed thay đổi từ Ed0 đến ­ Ed0 và ta sẽ được một họ đặc tính cơ song song nhau nằm ở nửa bên phải của mặt phẳng toạ độ [(, I] hoặc [(, M] nếu chúng ta chỉ cho một bộ chỉnh lưu làm việc ở chế độ chỉnh lưu (hình 4­4) Vùng dòng điện gián đoạn bị giới hạn bởi một nửa đường elip với trục tung:

I d.blt= XBA+2pflLuS Ed0.sinα (1­m pcotgm p)(4­5)

Trong đó: XBA ­ điện kháng máy biến áp

Lư( ­ Điện cảm tổng mạch phần ứng

fl ­ tần số lưới

m ­ số pha chỉnh lưu

Trong vùng dòng điện gián đoạn ((’0 < (0):

E2m− DU v

Kf®m ⇒ 0 ≤ α ≤ m p

E2m.cos(α − p / m) − DU v

Kf®m ⇒ α > m p

w0= {

(4­6)

Trong đó: E2m ­ biên độ sức điện động thứ cấp máy biến áp CL

Đường giới hạn tốc độ cực đại:

w gh.max= Ed0.cosα Kf − RuS Kf I d.blt(4­7)

Xét hệ CL - ĐM có đảo chiều:

Muốn đảo chiều tốc độ động cơ thì phải dùng hai bộ chỉnh lưu đấu song song ngược ­ chỉnh lưu kép (hình 4­3), nguyên tắc điều khiển hai bộ chỉnh lưu là:

+ Khi cho bộ CL1 làm việc ở chế độ chỉnh lưu thì CL2 chuẩn bị làm việc ở chế độ nghịch lưu, dòng chỉnh lưu chạy theo chiều dương, tốc độ động cơ quay thuận

+ Ngược lại, khi cho bộ CL2 làm việc ở chế độ chỉnh lưu thì CL1 chuẩn bị làm việc ở chế độ nghịch lưu, dòng chỉnh lưu chạy theo chiều âm, tốc độ động cơ quay ngược

Để khỏi truyền năng lượng từ bộ CL này qua bộ CL kia về lưới thì cần thoả mãn điều kiện:

|Ed.NL| ≥ |Ed.CL| (4­8)

Để điều khiển hai bộ chỉnh lưu làm việc theo đúng các chế độ yêu cầu thì có thể dùng phương pháp điều khiển chung hoặc điều khiển riêng

* Phương pháp điều khiển chung: tín hiệu điều khiển được đưa vào cả 2 nhóm van sao

cho thoả mãn (4­8) Đối với phương pháp này, có thể xuất hiện dòng điện cân bằng chạy qua 2 bộ chỉnh lưu, không qua tải, gây quá tải cho các van và máy biến áp, cho nên cần hạn chế dòng cân bằng, thường dùng các cuộn kháng cân bằng CK để hạn chế dòng cân bằng

Trong phương pháp điều khiển chung, khi phối hợp điều khiển kiểu tuyến tính:

α1+ α2= π (4­9)

Khi đó, các đặc tính cơ của hệ T ­ ĐM sẽ gần giống hệ F ­ Đ (hình 4­5a)

Khi phối hợp điều khiển kiểu phi tuyến (phối hợp không hoàn toàn) thì sẽ có thêm hệ số phi tuyến (:

α1+ α2= π + ? (4­10)

Góc ( phụ thuộc vào các giá trị của (1 và (2 một cách phi tuyến

Lúc này các đặc tính cơ của hệ T ­ ĐM có đoạn phi tuyến ở vùng gần trục tung (hình 4­5b)

* Phương pháp điều khiển riêng: tín hiệu điều khiển chỉ được đưa vào bộ CL đang làm

việc ở chế độ chỉnh lưu, còn bộ CL kia (không làm việc) không có tín hiệu điều khiển đưa vào, cho nên không có dòng cân bằng

Trong phương pháp điều khiển riêng cũng có phối hợp điều khiển kiểu tuyến tính và phi

tuyến.

Để thay đổi trạng thái làm việc của các bộ CL thì phải dùng thiết bị đặc biệt để chuyển các tín hiệu điều khiển từ bộ CL này sang bộ CL kia Bởi vậy, khi điều khiển riêng, các đặc tính cơ của hệ sẽ bị gián đoạn ở tại trục tung Như vậy, khi thực hiện thay đổi chế

độ làm việc của hệ sẽ khó khăn hơn và hệ sẽ có tính linh hoạt kém hơn khi điều chỉnh tốc độ

Nếu kết hợp điều chỉnh và đảo chiều từ thông của động cơ thì sẽ điều chỉnh và đảo chiều được tốc độ của động cơ ( ( (cb

Như vậy, kết hợp điều chỉnh iktF và iktĐ thì sẽ điều chỉnh được tốc độ động cơ ( ( (cb

và ( ( (cb (cả 2 vùng tốc độ)

Hệ Khuếch đại từ - Động cơ một chiều (KĐT - ĐM):

Sơ đồ nguyên lý:

Để điều chỉnh tốc độ động cơ dùng khuếch đại từ, ta thay đổi dòng điều khiển khuếch đại từ (thay đổi góc từ hoá (s) thì điện áp ra của khuếch đại từ sẽ thay đổi và như vậy sẽ điều chỉnh được tốc độ động cơ:

w = EK§T − DUv Kf − RK§T − Ru Kf M(4­11)

Các đặc tính cơ của hệ KĐT ­ ĐM gần giống như các đặc tính cơ của hệ T ­ ĐM Trong vùng dòng điện liên tục, đặc tính cơ cứng hơn vùng dòng điện gián đoạn, và vùng dòng điện gián đoạn cũng bị giới hạn bởi đường elip bao quanh gốc toạ độ mặt phẳng đặc tính cơ

Kết hợp điều chỉnh điện áp ra của khuếch đại từ và điều chỉnh từ thông động cơ ta cũng điều chỉnh được tốc độ động cơ cả trên và dưới tốc độ cơ bản

Muốn đảo chiều tốc độ động cơ cũng phải dùng hai khuếch đại từ mắc song song ngược (khuếch đại từ kép)

Hệ Băm điện áp - Động cơ một chiều (ĐAX - ĐM):

Sơ đồ nguyên lý:

Sơ đồ hình 4­7 giới thiệu một sơ đồ đơn giản của hệ ĐAX ­ ĐM dùng khóa đóng/cắt bằng thyristor Trong đó, bộ nguồn một chiều là bộ chỉnh lưu cầu diot ba pha CL, táo ra điện áp Ud tương đối bằng phẳng, giúp cho việc duy trì chế độ dòng điện liên tục được

dễ dàng Điều khiển thyristor T1 mở/khóa bằng xung mở của bộ điều khiển BĐK, ta sẽ được điện áp ra của bộ băm nối tiếp Ub đặt vào phần ứng của động cơ ĐM, tương ứng

sẽ có tốc độ ?

Trong chế độ dòng điện liên tục, các đại lượng trong hệ được tính toán theo giá trị trung bình:

Điện áp hoặc s.đ.đ trung bình của bộ ĐAX:

Eb= Utb= Tck tđ ⋅ U d = γU d(4­12)

Trong đó:Ġ ­ là tỷ số chu kỳ băm,

Với Tx và fx là chu kỳ xung và tần số xung của bộ BĐK

Dòng điện trung bình mạch phần ứng sẽ là:

Iư = Itb =Ġ (4­13)

Phương trình đặc tính cơ­điện và đặc tính cơ của hệ ĐAX ­ ĐM có dạng:

ω = γUd KΦ − RuΣ KΦ I u(4­14)

Và: ĉ (4­15)

Đặc tính cơ theo phương trình (4­15) ở vùng dòng điện liên tục là những đường thẳng song song nhau như hình 4­8, trong đó tốc độ không tải lý tưởng phụ thuộc vào tỉ số chu

kỳ : ?0 = γUd/KΦ

Xung điều khiển các thyristor T1 và T2 được tạo ra nhờ bộ BĐK với tần số xung fx = 1/Tx Khi thay đổi chu kỳ xung Tx hay tần số xung fx, ta sẽ làm thay đổi thời gian mở/ khóa của T1 và T2, từ đó thay đổi được điện áp Ub và Uư, dẫn đến điều chỉnh được tốc

độ động cơ ?

Hệ bộ biến đổi - động cơ không đồng bộ:

Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ ĐK:

Động cơ ĐK, được sử dụng rộng rãi trong thực tế Ưu điểm nổi bật của nó là: cấu tạo đơn giản, làm việc tin cậy, vốn đầu tư ít, giá thành hạ, trọng lượng, kích thước nhỏ hơn khi dùng công suất định mức so với động cơ một chiều

Sử dụng trực tiếp lưới điện xoay chiều 3 pha…

Tuy nhiên, việc điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khó khăn hơn, các động cơ ĐK lồng sóc có các chỉ tiêu khởi động xấu, (dòng khởi động lớn, mômen khởi động nhỏ)

Trong thời gian gần đây, do phát triển công nghiệp chế tạo bán dẫn công suất và kỹ thuật điện tin học, động cơ ĐK mới được khai thác các ưu điểm của chúng Nó trở thành hệ truyền động cạnh tranh có hiệu quả so với hệ Thyristor ­ Động cơ điện một chiều Qua phương trình đặc tính cơ của động cơ ĐK:

M = 2Mth(I + asth)

s

sth+

sth

s + 2asth

(4­16) Trong đó:

s th= ± R2Σ

'

√R12 + X nm2 (4­17)

Và: ĉ (4­18)

s th= ± R2Σ

'

√R12 + X nm2 (4­19)

Qua biểu thức (4­16), (4­17), (4­18), (4­19) ta thấy rằng khi dùng các bộ biến đổi: xung

điện trở mạch rôto, điều áp xoay chiều stato, biến tần mạch stato, thì sẽ thay đổi được

sth, Mth và sẽ điều chỉnh được tốc độ của động cơ ĐK.

Phương pháp xung điện trở mạch rôto:

Trên hình 4­9 trình bày nguyên lý điều chỉnh trơn điện trở mạch rôto bằng phương pháp xung Điện áp ur được điều chỉnh bởi cầu chỉnh lu điôt CL, qua điện kháng lọc L, cấp vào mạch điều chỉnh gồm điện trở Ro nối song song với khóa bán dẫn T1

Khóa T1 được điều khiển đóng ngắt một cách chu kì Hoạt động của khóa T1 tương tự như mạch điều chỉnh xung áp một chiều Khi khóa T1 đóng điện trở Ro bị ngắn mạch (bị loại ra khỏi mạch), dòng rôto tăng lên, khi T1 ngắt, điện trở Ro được đưa vào mạch, dòng rôto giảm xuống Với chu kì đóng­ngắt nhất định (T = const), ta sẽ có một giá trị điện trở tương đương (Rtđ) trong mạch rôto Hình 4­9b: thời gian đóng tđ = T ­ tn , nếu điều chỉnh trơn tỷ số chu kì ? = (tđ/T), thì ta sẽ điều chỉnh trơn được giá trị giá trị điện trở trong mạch rôto:

Rtđ = (1­?).Ro (4­20)

Điện trở Rtđ trong mạch một chiều được tính đổi về mạch xoay chiều 3 pha ở rôto theo qui tắc bảo toàn công suất Tổn hao trong mạch rôto nối theo sơ đồ hình 3­9a là:

ΔP = I d2(2R2+ R tđ)(4­21)

Và hao tổn khi mạch rôto nối theo sơ đồ hình 3­6a là:

ΔP = 3I22(R2+ R2f)(4­22)

Cơ sở để tính đổi là tổn hao công suất nh nhau, nên:

I d2(2R2+ R tđ) = 3I22(R2+ R2f)(4­23)

Với sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha thì:Ġ, nên:

R2f= Rtđ2 = (1 − γ).Ro2 (4­24)

Khi đã có điện trở tính đổi sẽ dễ dàng dựng được các đặc tính cơ theo phương pháp thông thường, họ các đặc tính cơ này sẽ quét kín phần mặt phẳng giới hạn bởi đặc tính

cơ tự nhiên và đặc tính cơ có điện trở phụ R2f = Ro/2 như hình 4­9c

Để mở rộng phạm vi điều chỉnh mômen thì có thể mắc nối tiếp điện trở Ro với một tụ điện có điện dung đủ lớn (hình 4­9d) Việc xây dựng các mạch phản hồi điều chỉnh tốc

độ và dòng điện rôto được tiến hành tương tự hệ điều chỉnh điện áp

Điều chỉnh tốc độ ĐK bằng bộ điều áp xoay chiều stato (us):

Mômen động cơ ĐK tỉ lệ với bình phương điện áp stato, nên có thể điều chỉnh mômen

và tốc độ động cơ ĐK bằng cách thay đổi điện áp stato và giữ tần số không đổi nhờ bộ biến đổi điện áp xoay chiều (ĐAXC) như hình 4­10:

Nếu coi bộ ĐAXC là nguồn lí tưởng (Zb = 0), khi ub ? uđm thì mômen tới hạn Mth.u tỉ

lệ với bình phương điện áp, còn sth.u = const:

M th.u = M th.gh(u b

u1)2

= M th u b2

s th.u = s th.gh = const

}

(4­25)

Để cải thiện dạng đặc tính điều chỉnh và giảm bớt mức phát nóng của động cơ, người ta mắc thêm điện trở R2f (hình 4­10) Khi đó, nếu điện áp đặt vào stato là định mức (ub = u1) thì ta được đặc tính mềm hơn đặc tính tự nhiên, gọi là đặc tính giới hạn

Rõ ràng là:Ġ; Mth.gh = Mth (4­26)

Trong đó: Mth.gh, sth.gh là mômen và hệ số trượt tới hạn của đặc tính giới hạn (đ/tGH) Mth, sth là mômen và hệ số trượt tới hạn của đặc tính tự nhiên

Dựa vào đặc tính giới hạn Mgh(s), và nếu ? = const, ta suy ra đặc tính điều chỉnh ứng với giá trị ub cho trước nhờ quan hệ:

M u = u b2;Mu= Mgh Mu (4­27)

Đặc tính điều chỉnh trong trường hợp này như hình 4­10b

Phơng pháp điều chỉnh điện áp chỉ thích hợp với truyền động mà mômen tải là hàm tăng theo tốc độ như: máy bơm, quạt gió, … Có thể dùng máy biến áp tự ngẫu, điện kháng, hoặc bộ biến đổi bán dẫn làm bộ ĐAXC cho động cơ ĐK

Các bộ biến đổi tần số - điện áp:

Thông thường khi điều chỉnh tốc độ bằng cách tháy đổi tần số, người ta kết hợp thay đổi điện áp stato sao cho hệ số quá tải mômen của động cơ ? = const, phụ thuộc các loại phụ tải khác nhau ta đã xác định được quan hệ giữa sự thay đổi điện áp và tần số theo công thức:

ĉ; (với q = ­1, 0, 1, 2) (4­28)

Hay: ĉ ;(với q = ­1, 0, 1, 2) (4­29)

Hình 4­11 có các khối chức năng: nguồn xoay chiều có u1.đm, f1.đm qua bộ chỉnh lưu (CL) biến đổi thành điện áp một chiều Uđ cấp cho bộ biến tần: Bộ nghịch lưu áp ba pha (NL) gồm 6 thyristor (TıT6) và cầu chỉnh lưu ngược (CLng) gồm (DıD6) để hoàn trả năng lượng phản kháng Điện áp đầu ra của bộ BT (u1) có dạng “sin chữ nhật” và tần số

là f1, đặt lên stato động cơ ĐK cần điều chỉnh tốc độ ?

Muốn điều chỉnh tần số f1 đặt vào stato để điều chỉnh tốc độ động cơ ĐK, thì thay đổi điện áp điều khiển Uđk.f của bộ biến tần áp Còn muốn điều chỉnh điện áp u1 đặt vào stato theo qui luật (4­29), thì thay đổi điện áp điều khiển Uđk.u của bộ chỉnh lưu

* Các đặc điểm của việc điều chỉnh tần số:

Điều chỉnh tốc độ động cơ ĐK bằng cách biến đổi điện áp và tần số trên đầu nối stato là một trong những phương pháp được chú ý và có nhiều triển vọng

Bằng phương pháp điều chỉnh này, ta nhận được những đặc tính cơ ứng Khi đó tổn thất công suất không lớn Thực vậy, từ biểu thức:

?P2điện = M?os (4­30)

Ta thấy, nếu coi động cơ làm việc trên đoạn đờng thẳng của đặc tính cơ khi điều chỉnh tần số thì s có trị số nhỏ, nên ?P2điên cũng nhỏ Khi s dụng các bộ biến tần thích hợp, ta

có thể điều chỉnh đợc tốc độ với độ trơn tùy ý

Quan trọng hơn nữa là các u điểm trên đều đợc thể hiện cả với khi điều chỉnh động cơ không đồng bộ lồng sóc là loại động cơ đơn giản, chắc chắn và rẻ tiền

Nhược điểm chủ yếu của các hệ thống truyền động điện này là hiện nay bộ biến tần còn tương đối phức tạp và đắt tiền Vì vậy đã hạn chế phạm vi ứng dụng của truyền động điện có điều khiển tần số Nhưng những ưu điểm của chúng vẫn là cơ bản Nếu tạo ra được những bộ biến tần với mức độ phức tạp và giá thành vừa phải, thì truyền động điện điều khiển tần số dùng động cơ ĐK lồng sóc sẽ được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất

và sinh hoạt

Điều chỉnh tốc độ động cơ ĐK bằng các sơ đồ nối tầng:

Sơ đồ nối tầng điện cơ:

Sơ đồ nguyên lý :

Trong sơ đồ hình 4­12, động cơ ĐK được điều chỉnh tốc độ S.đ.đ E2 được chỉnh lưu thành s.đ.đ một chiều E2dcó biểu thức:

E2d = Ku.E2= Ku.E2nm.s (4­31)

Trong đó:

Ku = 2,34 ­ hệ số của chỉnh lưu cầu ba pha

E2nm ­ s.đ.đ ngắn mạch rôto (giá trị pha)

S.đ.đ này được nối vào phần ứng của một động cơ điện một chiều ĐMđl đóng vai trò thiết bị biến đổi (TBBĐ) như hình 4­12 Động cơ này sẽ nhận năng lượng trượt từ bộ chỉnh lưu dưới dạng điện năng một chiều, và biến đổi thành cơ năng trên trục Trục của

nó được nối được nối chung với trục động cơ ĐK, do đó nó truyền phần năng lượng trượt về trục động cơ của máy sản xuất S.đ.đ phần ứng của ĐMđl như đã biết, nó phụ thuộc vào tốc độ và từ thông của nó:

Ebđ = K?? = K.a.Ikt.? (4­32)

Trong đó, từ thông phụ thuộc dòng kích từ:

Φ = a.Ikt

Dòng điện phần ứng của động cơ Id = Iư tỷ lệ với dòng điện rôto I2 và được xác định theo các s.đ.đ trong mạch:

I d = K i I2= Ed2 − Ebđ RΣ (4­33)